基于Zigbee的井下人員定位監(jiān)測系統(tǒng)的設計與研究

王同泉 崔建明

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

煤礦的安全生產(chǎn)工作一直受到國家的高度重視。煤礦安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃中明確規(guī)定2011年底前所有煤礦全部安裝井下人員定位系統(tǒng)。2013年6月底前全國所有煤礦全部完成“六大系統(tǒng)”的建設完善工作，切實提高煤礦安全保障水平和應急處置能力。

隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，對煤礦安全生產(chǎn)的要求不斷升高，開發(fā)出可靠有效的礦井人員管理系統(tǒng)對于改善煤礦的安全生產(chǎn)具有很大的現(xiàn)實意義和實用價值?，F(xiàn)代化的煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)不僅包括對礦井下環(huán)境參數(shù)（例如瓦斯?jié)舛?、溫濕度、風速等環(huán)境指標）的監(jiān)測，還應包括對下井人員的實時監(jiān)控和管理，這樣極大的減少了人為因素事故的發(fā)生，提高了礦業(yè)生產(chǎn)的效率。針對當今RFΙD 技術在使用中存在通信距離短的缺點，同時在多人通過無線基站時存在漏讀卡現(xiàn)象等問題，建立一套以Zigbee 無線通信技術為基礎的人員管理系統(tǒng)己經(jīng)成為煤礦安全生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理的迫切需要。

1 Zigbee 無線網(wǎng)絡定位技術特點

Zigbee 顯著的特點就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡拓撲結構[1]。同時Zigbee定義了應用層、網(wǎng)絡層以及安全服務規(guī)范，與常見的無線通信標準相比，Zigbee 協(xié)議緊湊而簡單，Zigbee 體系結構模型如圖1所示[2]。對其具體實現(xiàn)的要求很低，其最低需求估計：硬件需要8 位處理器，軟件需要32KB 的ROM，最小軟件需要4kB 的ROM，網(wǎng)絡主節(jié)點需要更多的RAM 以容納網(wǎng)絡內所有節(jié)點的設備信息、數(shù)據(jù)包抓發(fā)表、設備關聯(lián)以及安全有關的密鑰存儲等。Zigbee 技術在讀卡器成本低，有效距離、傳輸速率及實用性等方面均優(yōu)于RFΙD。同時Zigbee 在信道切換機制方面抗多徑干擾能力和抗多址干擾能力都強于現(xiàn)有的藍牙、Wi-Fi等通信協(xié)議。

圖1 Zigbee 體系結構模型

在符合Zigbee 協(xié)議的CC2431 無線定位中，還具有以下優(yōu)點：最高精度可達0.5m；定位節(jié)點響應時間少于40μs；定位誤差小于3m；硬件定位計算消耗非常少的CPU 資源。

2 系統(tǒng)的構架方案

該系統(tǒng)由地面計算機中心、無線通信接入網(wǎng)關、參考節(jié)點、定位節(jié)點、網(wǎng)絡分析等組成，定位系統(tǒng)原理框圖如圖2所示[2]。

圖2 定位系統(tǒng)原理框圖

主機是地面計算機。在計算機上有相關的界面化軟件，便于觀察地下工作情況，同時也方便于井下工作管理及調度等，同時井下的作業(yè)信息也可以通過網(wǎng)絡傳給相關部門檢測，把相關信息進行存儲。

網(wǎng)關采用CC2430 組建一個Zigbee 網(wǎng)絡，在每個區(qū)域中，網(wǎng)關擔任協(xié)調器的角色，并且把定位節(jié)點坐標及外部環(huán)境參數(shù)傳給地面計算機中心。

參考節(jié)點采CC2430 的設計擔任路由器的角色，在定位系統(tǒng)中它由用戶指定固定坐標，并為定位節(jié)點提供坐標和RSSΙ 平均值。

定位節(jié)點采用帶有定位引擎的CC2431 設計，能夠根據(jù)參考節(jié)點的固定坐標和RSSΙ 平均值計算出自身的坐標位置，同時協(xié)同定位節(jié)點坐標一起發(fā)送給網(wǎng)關。

3 定位系統(tǒng)算法改進

3.1 基于RSSI 的定位算法

RSSΙ 算法是通過已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度和接收節(jié)點接收到的信號強度，算出信號在傳播過程中損耗的強度值，利用理論和模型將損耗轉化為距離，最終算出節(jié)點坐標[3]。

接收節(jié)點信號強度的理論值為

式中，n為信號傳播常數(shù)；d為與發(fā)射節(jié)點的距離；A為距發(fā)射節(jié)點1m 處的接收信號強度。

移動節(jié)點（x,y）相對于固定節(jié)點（x1,y1），（x2,y2），（x3,y3）…（xn,yn）的距離為d1，d2，d3…dn，可得

根據(jù)線性方程變換AX B= ，其中：

采用最小二乘法可得出移動節(jié)點的坐標為

3.2 算法的改進

為了減少RSSΙ 算法的誤差影響，提高RSSΙ 定位算法精度，以三邊定位算法為基礎，分別對個體差異差分系數(shù)、距離差分系數(shù)和距離差分定位方程進行了定義，把離目標節(jié)點最近的固定節(jié)點作為參考節(jié)點，對基于RSSΙ 的測距進行差分修正[4]。差分實現(xiàn)過程如圖3所示，固定節(jié)點R0(x0,y0)，R1(x1,y1)，…，Rn(x n,yn)，其中R0是離移動節(jié)點M(x,y)最近的固定節(jié)點，令R0為差分參考節(jié)點，1R，2R，…，nR到0R的距離為D1，D2，…，Dn，R1，R2，…，Rn到M的距離為d1，d2，…，dn。

圖3 差分修正方法圖

固定節(jié)點RSSΙ 個體差異修正系數(shù)的定義：

式中，D′i為參考節(jié)點與第i個固定節(jié)點之間的測量距離，Di為實際距離，n為參與定位的固定節(jié)點的個數(shù)。

對目標節(jié)點到第i個信標節(jié)點的距離差分系數(shù)的定義

式中，λ為比例調整因子，di'為移動節(jié)點與第i個參考節(jié)點的實測距離，n值同上。

對移動節(jié)點到第i個參考節(jié)點的距離差分定位方程的定義

式中，di為移動節(jié)點與第i個固定節(jié)點的修正距離，固定節(jié)點測量誤差ei=d i′-di。n值同上。

將式（8）代入式（6）、（7）中，即可求得移動節(jié)點的差分修正坐標。

如果有n個固定節(jié)點參與定位，就可得到Cn3組移動節(jié)點坐標值，并最終求得移動節(jié)點的坐標

4 定位系統(tǒng)的整體流程

定位系統(tǒng)網(wǎng)關的設計。網(wǎng)關是節(jié)點信息匯集的地方，也是所有節(jié)點的控制中心。圖4是網(wǎng)關節(jié)點的設計原理圖[5]，收集到的信息可以通過液晶顯示或者總線方式傳給計算機。

圖4 網(wǎng)關節(jié)點設計原理圖

人員定位軟件系統(tǒng)由操作界面和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成。當檢測到有信號傳輸時，立即執(zhí)行相應的程序，數(shù)據(jù)庫中相應的信息則自動讀取并發(fā)送到通信平臺，如有控制信息也寫到指定區(qū)域，程序檢測到后發(fā)出控制命令，把相應的信息顯示到電腦或顯示屏上，實現(xiàn)對應的功能。

定位軟件程序流程如圖5所示。首先，發(fā)送定位請求。監(jiān)測節(jié)點在接收到定位請求后，將發(fā)送定位響應，包括自身的位置信息和地址。通過GetRSSΙVal（）函數(shù)獲得RSSΙ 值。來自同一個信標節(jié)點的RSSΙ 均值，通過RSSΙ 計算方法將信號強度轉化為距離。與距離較近的幾個固定節(jié)點構成集合，運用三邊定位算法，求得該節(jié)點的坐標位置。對所得的位置坐標集合，求得平均值，再運用差分修正法進行修正，最終確定節(jié)點位置。

圖5 定位軟件流程圖

5 實驗結果與分析

實驗采用8 個固定節(jié)點，兩個盲節(jié)點進行測試。通過運行上位機Z-Location 軟件，配置固定節(jié)點（X，Y），并配置盲節(jié)點（A，N）等參數(shù)，然后捕獲其坐標值。配置固定節(jié)點坐標分別為（2，2）、（2，20）、（10，2）、（10，20）、（18，2）、（18，20）、（26，2）、（26，20），當盲節(jié)點實際位置為（12，12）、（16，16）時，實驗結果如圖6所示，盲節(jié)點在區(qū)內移動，可得到其坐標，誤差坐標小于3m。

圖6 上位機定位顯示

實驗還對A、N值進行了調節(jié)，A值為30～50，N值為0～30。通過試驗得出，A值的最佳范圍為45～49，N值的最佳范圍為15～25。實驗結果較為理想。

6 結論

基于當今最流行的Zigbee 技術為基礎，構建了整個井下人員定位監(jiān)測系統(tǒng)，同時將RSSΙ 算法進行了改進，提高了定位精度，擴大了定位區(qū)域，減小了定位誤差。通過上位機測試表明，能夠用于類似礦井巷道環(huán)境中，基本符合了定位的要求，適合于井下人員定位系統(tǒng)。

[1] 瞿雷,劉勝德,胡咸斌.Zigbee 技術及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[2] 李文仲,段朝玉.Zigbee2006 無線網(wǎng)絡與無線定位實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[3] 馬曉峰,汪玉鳳.基于Zigbee 技術的煤礦井下人員定位跟蹤系統(tǒng)的研究[D].遼寧:遼寧工程技術大學,2009.

[4] 李偉,崔建明.基于Zigbee 和GΙS 的井下人員定位系統(tǒng)的設計[D],山西:太原理工大學,2010.

[5] 劉洋,楊潔明.基于CC2431 的井下人員定位方法研究[J].煤礦機械,2010(6).